基于混合模式和全網絡模式的并行雙模式教學在《計算物理基礎》課程中的探索研究

董慶瑞 劉春香

摘? ?要：文章介紹了《計算物理基礎》課程進行混合模式和全網絡模式的教學實踐情況。混合模式教學與傳統模式教學相比，學生課堂投入度更高，網絡教學平臺的統計功能允許更高效地進行學習督導。與混合模式教學相比，由于課堂氛圍不足，全網絡模式教學的教學效果下降了，文章提出了相應的對策，同時全網絡模式教學也呈現了一些獨特的優勢。在總結兩種教學模式的基礎上，為了應對突發事件對教學秩序的沖擊，文章探索了一種并行雙模式教學，教學活動可以在混合模式教學和全網絡模式教學之間進行平順切換，甚至可以兩種教學模式同時開展。

關鍵詞：混合模式教學;全網絡模式教學;并行雙模式教學;計算物理基礎

中圖分類號：G434 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2021）09-0088-05

計算物理可以消除實際物理問題沒有解析解的障礙，隨著計算機計算能力的不斷提高，全國各類高校的物理學本科專業普遍開設了計算物理學基礎課程。隨著網絡技術和網絡教學平臺的快速發展，許多高校已經把推動混合式教學作為教學改革的重要方向。根據《計算物理基礎》課程的基本特點，我校建設了線上線下相融合的混合式課程，教學效果得到了顯著提升。2020年上半年的新冠疫情導致學生不能返校，我們被迫把《計算物理基礎》課程的混合式教學模式改成全網絡教學模式。由于課堂氛圍的不足，全網絡課程的教學效果有所下降，經過認真分析，我們提出的對策是：針對自律性差的學生，營造課堂氛圍和加強學習督導。在總結兩種教學模式的基礎上，我們探索了一種基于混合模式和全網絡模式的并行雙模式教學，以期應對未來突發狀況對教學秩序的沖擊。

一、計算物理課程教學實踐簡介

隨著計算機的飛速發展，數值計算成為物理學研究中必不可少的重要手段，計算物理、實驗物理和理論物理成為物理學發展的三大支柱。[1]計算物理可以消除實際物理問題沒有解析解的障礙，也可以模擬現有技術手段難以實施的物理實驗。2010年教育部正式將《計算物理基礎》課程列為物理學專業本科必修課。[2]《計算物理基礎》課程講授的數值計算方法包括數值微積分、解代數方程、曲線擬合和解微分方程等，處理的物理問題涉及力學、電磁學、光學、電動力學和量子力學等大學物理課程。作為本科生綜合應用的專業課，講授的數值算法盡量做到理論推導簡單，需要解決的物理問題盡量采用簡化的物理模型，教學目標為：讓學生體驗用數值計算的手段解決實際物理問題的一般步驟。

《計算物理基礎》課程融合了物理專業知識和計算機編程技術，其特點是內容綜合性強、知識專業性強和對操作細節要求嚴格。開設課程的頭幾年，我們采用了傳統的教學模式，即學生課前預習、教師課堂講授和課后學生完成作業。盡管傳統的教學模式基本能完成教學目標，但是這種教學模式不太符合前面提到的課程特點。課前預習中學生會遇到一些有關程序操作細節的問題，增加了學生預習的難度;課堂講授階段，盡管我們選擇了盡量簡單的物理問題，但是內容依然綜合性強、細節信息量大，即使知識點不難，學生也需要放慢節奏慢慢消化，往往存在跟不上講課進程的情況，課堂授課信息量大，導致師生少有互動，因而課堂教學效果欠佳，同時，教師每年在課堂上重復講授基礎知識，嚴重浪費了寶貴的課堂時間，對學生關注的重點難點卻來不及講解;課后作業更是操作性強，學生需要傳授編程經驗，教師最好能夠從旁邊點撥，否則學生會事倍功半。

近幾年，借助于網絡技術的快速發展和網絡教學平臺的功能升級，我們吸取了翻轉課堂的教學理念，基于超星學習通平臺，建立了線上線下相融合的混合式課程。[3]在混合式課程的教學中，教師將傳統的授課內容錄制成教學視頻，學生課前通過收看視頻自主學習基本知識點，在此基礎上，教師充分利用課堂時間通過問題探究的方式引導學生進行更深入的思考和練習。通過混合模式的教學實踐，教學效果得到了顯著提升。

二、基于超星學習通的混合模式教學

1.教學資源庫的開發與課前在線自主學習

學生課前通過收看視頻自主學習基本知識點，代替傳統課堂的功能，有兩個好處：一是學生可以根據自己的理解狀況自主控制學習進度，遇到不懂的地方還可以反復收看和思考;二是允許充分利用課堂的寶貴時間進行更多的師生互動。課前自主學習雖然是在課外進行，卻是本課程的基礎部分。沒有課前自主學習的基礎，課堂時間對疑難問題的解析和對教學內容更深入的討論就無從談起。

教師通過超星學習通平臺準備的課前學習資源庫包括電子版教材、授課ppt課件、授課視頻、例題編程演示視頻。授課視頻是學習資源庫的核心內容，錄制視頻需要教師進行多年積累，是進行混合模式教學的重要基礎。作為實際操作性很強的課程，授課內容涉及許多技術細節，授課視頻可以講得詳細一些，這樣可能會增加學生收看視頻的時間，盡管如此，學生花在琢磨技術細節上的時間少了，學生的整體學習效率還是會提高。建議授課視頻做成短視頻，每個授課視頻盡量控制在15分鐘以內，這樣做的目的是：課外學習時學生保持注意力集中的難度會增加，觀看短視頻更容易讓人獲得成就感。另外，從教師的角度講，把長視頻分解成短視頻，當發現紕漏時，更便于訂正。相關例題的程序演示視頻，可以展示編程的實際過程，因其實用性強，頗受學生歡迎。為視頻添加字幕、標注知識點，可以增加視頻的可觀看性。教學資源的開發，不能期望一勞永逸，需要經常維護更新，每學期都要檢查、糾錯和更新迭代。優質的教學資源庫，配合合理的督導學習機制，會大大改善學生自主學習的效果。

在課前自主學習階段，教師在超星學習通平臺發布相關章節的教學資源，學生通過收看視頻、閱讀教材和復習授課ppt課件等方式進行學習。超星學習通平臺允許教師為教學資源設置任務點，實時統計學生的學習進度并計算學生的自學成績;自學成績被設置成期末總成績的組成部分，可以提高學生課前自主學習的積極性。為了應對少數學生的拖延心理，建議教師為授課視頻設置收看截止時間;對于未按時完成課前自學的學生，教師可以進行單獨提醒或課程群內公開提醒。教學實踐表明，經過督導，視頻收看率幾乎達到百分之百。超星學習通平臺還具有統計視頻收看反芻率的功能，這個數據可以反映視頻的難易程度，供教師更新視頻時參考。學生對視頻中基本知識點的消化程度，只能通過課堂問題討論和課后作業質量來反映。另外，教師也要注意：布置課程進度，要堅持寧少勿多的原則，否則學生會感覺任務難以完成而產生挫敗感。

雖然我們力求教學資源庫盡量詳細，學生在課前自學中也必然會產生疑問。我們嘗試在課堂討論之前以多種形式收集學生的疑問，比如在超星學習通討論區留言、將疑問發到課程群、將疑問記錄到小紙條拍照后直接發給教師等，以便教師進行更有針對性的備課。然而，清晰地書面呈現疑問需要較高的總結問題和表達問題的能力，因此，課前收集疑問的嘗試并不理想。

2.課堂討論的三個環節

通過課前自學階段對基本知識點進行了初步消化后，在課堂討論階段教師就有充裕的時間引導學生進行更深入的思考和練習了，課堂討論階段可分為教師答疑、問題討論和當堂測驗三個環節。

第一個環節：教師答疑。學生提出問題以后，先嘗試讓其他同學發表看法，然后教師解答或總結，這個環節的教學目的是解答學生課前自主學習的疑問，然而我們的教學實踐中，學生提問并不積極。通過和學生交流，發現提問不積極的原因大體分兩種情況：一是課前自學后，學生表面的疑問基本解決了，但還沒有深入思考，反映了學生發現問題的能力不強;二是學生即使發現了問題，由于“怕丟面子”的心理因素，往往習慣私下請教，而不是在課堂上公開主動發問。

第二個環節：問題討論。教師以問題為導向引導學生進行深入思考，這個環節有兩個教學目的：一是檢查學生對基本知識點的掌握情況;二是教師把重點和難點以問題的形式提出來，學生對重點和難點進行重新思考，教師針對學生的回答進行點評分析，從而達到消化重點和難點的目的。建議教師提出問題以后，給全體學生適當的時間進行思考，然后再進行點名提問，防止未被提問的學生懈怠。對于難度較大的題目，可以考慮點名回答和鼓勵學生自愿回答兩種方式相結合。從教學實踐來看，盡管學生不習慣主動公開提問，但是回答問題卻相當踴躍，反映了青年學生“爭強好勝”的積極心態。

第三個環節：當堂測驗。教師提供若干練習題，這些練習題需要學生運用剛剛學習的知識點解決一些簡單的實際問題;被點名學生需要在限定時間內“爬黑板”給出答案，這個環節的教學目的是鍛煉和檢查學生運用所學知識處理簡單實際問題的能力，“爬黑板”其實是小測驗，教師給出某個具體題目后，可以讓全體學生先準備幾分鐘，隨機指定3～5名學生到黑板上解題，答題過程中允許查書、請教同學或者在個人電腦上實際運行程序。然后教師對各個答案進行點評、錯誤分析和評分。對于較難的題目，鼓勵學生自愿“爬黑板”而不是點名。教師在這個環節記錄成績作為平時過程分數的一部分，除了可以提高學生解決實際問題的積極性，還可以督促學生在課前自主學習階段和課堂討論環節更加認真地學習。實際教學過程中，學生對于“爬黑板”做題很積極，感覺收獲較多，加上成績激勵，學習氛圍和學習效果非常好。

隨著移動互聯網的發展，學生“上課玩手機”現象是一個令人頭疼的問題。[4]我們的混合式課程教學實踐中，教師采用點名提問和點名“爬黑板”做題的互動方式，學生全程高度參與課堂討論，加上過程分形式的成績考核激勵，學生注意力高度集中，“上課玩手機”現象從根本上得到了解決。不僅如此，我們還鼓勵學生在手機或平板電腦上安裝計算機高級語言（如Matlab移動版），允許學生在課堂上對相關程序代碼進行驗證，把理論知識和實際運用結合起來達到“學以致用”的效果。

3.完成作業和上機練習

教師布置適當數量的課后作業習題，目的是鍛煉學生用數值計算的方法處理實際物理問題的能力。教師將作業發布在超星學習通平臺上，同時設定作業提交期限，防止學生拖延。教師布置作業不一定與學習進度同步，可以提前發布，甚至可以提前很長時間發布，允許學有余力的學生提前嘗試解答。學生可以在自己的電腦上完成作業，也可以在上機課中到機房教室完成作業。學生提交作業后，教師在超星學習通推送詳細的作業講解視頻及編程演示視頻，供學生參考;對于作業視頻沒有解決的問題，留到上機課或課堂討論中繼續處理。教師可以隨時在線批閱作業，對于錯誤較多的作業，教師可以利用超星學習通平臺的“退回”功能要求學生修改或重做;教師對每次作業打分，平臺系統自動統計作業分數，作為過程考核分的一部分。教學實踐表明，得益于超星學習通平臺的強大功能，完成作業環節進行得非常順利。

本課程具有操作性強的特點，保證上機練習的時間非常重要。針對普通知識點和例題，鼓勵學生課下在自己的電腦上進行自主練習;到機房教室進行上機課的時候，學生的主要任務是，對疑難知識點進行練習和完成作業。無論自主上機練習，還是機房教室上機課練習，學生非都常喜歡同學間的經驗交流，這種交流對學習有很大的促進作用。教師在上機課中的任務是：對疑難知識點和作業完成過程中遇到的障礙進行單獨輔導，單獨找作業問題較大的學生進行指正，以及對普遍存在的問題統一講解。

4.成績評價

該課程本質上是方法的學習，具有操作性強和細節性強的特點，不宜采用期末書面考試的方式進行考核，建議采用過程性評價和終結性評價相結合的方式進行學業成績評價。過程性評價既可以督促平時學習，又可以避免學業成績受考試偶然因素（如試題因素、發揮因素和突發狀況）的影響。過程性評價的弊端是操作煩瑣、工作量大，好在超星學習通平臺可以自動統計視頻收看分數和作業分數，大大減少了教師的工作量。教學實踐也表明，雖然過程性評價記錄的是平時的成績，卻能比考試更真實地反映學生的學習成果。

本課程成績評價的分數統計涉及4個教學模塊：①課前自學，就是統計視頻收看的分數，學生只要按時完成收看就可以得分，得分相對容易。②課堂測驗（爬黑板），需要學生在認真完成視頻學習的基礎上，保持比較好的課堂專注度，在規定的時間內完成答題，得分有一定難度。③完成作業，需要在掌握知識點的基礎上，具有解決實際問題的能力，但是完成作業既有充足的時間，又可以求助教師或同學，只要下工夫就能得分。④課程論文，是在學期末自擬題目或根據教師給出的題目，解決一個復雜度較高的實際問題，并通過論文的形式把題目的來龍去脈論述清楚，是對物理理論、數學建模、編程調試、寫作表達等能力的綜合運用。[5]具體成績評價的計分方式和權重如表1所示。

5.教學效果

與傳統模式教學相比，混合模式教學充分發揮了網絡教學平臺的視頻播放功能和統計分析功能，教學效果有了較大的改進，主要體現在三個方面：①沒有互動的基本講課內容以視頻的形式發布在網絡教學平臺上，學生根據理解狀況自主控制進度;②課堂教學以討論的形式對重要知識點進行剖析，教學內容更深入，學生課堂參與度更高;③網絡教學平臺的統計功能先進，允許教師更高效地進行學情分析和學習督導。

三、全網絡教學模式

1.具體實踐

盡管混合式教學模式比較符合《計算物理基礎》課程的教學特點，但是2020年上半年突如其來的新冠疫情打破了正常的教學秩序，本課程被迫從混合模式教學改成全網絡模式教學。對比混合模式教學，全網絡模式教學中有些環節保持不變，有些環節發生改變，具體情況如表2所示。

全網絡模式教學中，課堂討論需要網絡直播，對網絡直播平臺流暢度的要求非常高，對網絡直播平臺功能的要求相對簡單，只要具備語音通話、視頻通話和屏幕共享幾個簡單功能即可。經過比較，我們采用騰訊會議進行網絡直播。網絡直播中的課堂討論依次分為教師答疑、問題討論和當堂測驗三個環節。在教師答疑環節中，學生通過語音通話和屏幕共享方式提出疑問，也可以在聊天室輸入文字表達疑問。在問題討論環節中，被點名的學生通過語音通話功能進行回答，也允許學生在聊天室通過文字輸入方式自愿回答，這樣可以提高回答問題的效率，教師對答案進行點評分析;對于較難的問題，鼓勵學生自愿語音回答。在當堂測驗環節中，教師給出題目后，可以讓全體學生先進行思考，然后指定3～5名學生拍照上傳答案，教師對各個答案進行點評和錯誤分析講解，并在花名冊記錄分數。全網絡模式教學中，教師無法面對面指導上機練習，教學形式調整為：學生共享屏幕提出疑問，教師實時語音指導，教師還可以共享屏幕展示程序操作細節。

2.遇到的困難和得到的啟發

已經建成的混合式課程教學資源庫為全網絡模式教學提供了強有力的支持，盡管如此，全網絡模式教學仍然遇到了一些困難。一是課堂討論階段學習氛圍不足。積極的課堂學習氛圍，使師生雙方精神煥發、思維活躍，激發師生潛能的充分發揮，從而能夠較好地完成教學任務。全網絡模式教學中，師生無法面對面交流，導致課堂學習氛圍不足，部分學生在課堂討論階段心不在焉、反應遲鈍、很少主動發言，造成教學效果不理想。二是課前階段和課后階段的學習效果也出現了下降。比較全網絡教學模式和混合教學模式，課前自學的環節完全一致，盡管如此，由于缺少了師生面對面的課堂情感交流，師生之間的陌生感增加，因此居家全網絡模式教學的課前視頻收看率明顯不如在校混合模式教學的課前視頻收看率;由于同樣的原因，學生未能按時交作業的比例也提高了。盡管整體的教學效果下降了，我們也注意到一個事實：從混合教學模式切換成全網絡教學模式，自律性差的學生受到的影響很大，甚至是毀滅性的，形成鮮明對比的是，自律性強的學生受到的影響較小，甚至可以忽略。上述事實表明，進行全網絡模式教學，改進教學效果的措施應該聚焦于：針對自律性差的學生，營造課堂氛圍和加強學習督導。

除了遇到的困難，網絡課堂也展現了一些現實課堂不具備的優勢：①學生提問比在真實課堂中更加活躍，尤其是在允許聊天室匿名提問的情況下。經過和其他課程教師交流，普遍認為性格內向的學生更喜歡匿名提問，類似于網絡上的“鍵盤俠”現象，也許這是網絡時代一個值得利用的學生心理。②直播視頻可以保存，供缺課的學生或想復習的學生使用，也可以供教師進行總結時參考。鑒于本課程的特點，教學視頻注重展示屏幕內容細節，可以方便地將課堂直播視頻錄屏保存。③共享屏幕的功能非常適合上機練習環節。網絡教學前，我們預計上機課無法當面指導，教學效果會打折扣，然而，騰訊會議等軟件的共享屏幕功能，再配合語音通話功能，教學效果比機房當面指導毫不遜色。④網絡教學直播平臺可以統計學生的發言活躍度，允許教師更有針對性地進行督導。⑤所有學生都能看得更清楚聽得更清楚，而不受真實課堂中座位位置和教室音響效果的影響。諸如此類的網絡教學優勢預示：隨著網絡信息技術的發展，網絡模擬真實課堂的能力越來越強，網絡教學平臺也將提供更便捷的學情數據統計分析和人工智能技術，因此，盡管現在網絡教學還有諸多不足，但是網絡教學必將成為未來教學改革的重要方向。

四、并行雙模式教學的探索

如上所述，我們已經在《計算物理基礎》課程中分別進行了混合式課程和全網絡課程的教學實踐。在總結分析這些教學實踐經驗的基礎上，為了應對未來可能出現的疫情（或類似的突發狀況），我們試圖實現這樣一種創新性的教學方式：無論是平常時期、疫情時期、從平常時期進入疫情時期，還是從疫情時期恢復到平常時期，混合式教學模式和全網絡教學模式都能夠平順地切換，力求將倉促的教學模式切換帶來的負面影響降至最低。也就是說，混合教學模式和全網絡教學模式類似兩條并行的鐵軌在兼容狀態下同時運轉，教學活動可以根據社會狀況的變化在兩者之間進行任意選擇，或者可以兩種教學模式同時開展，從而實現一種基于混合模式和全網絡模式的并行雙模式教學。

得益于混合式課程中教學資源庫的建設和當前網絡信息技術的飛速發展，我們所采用的混合教學模式和全網絡教學模式基本上可以做到平順切換，比如兩種教學模式的課前自主學習階段、作業環節、成績評價、學情觀測和督導方式等幾個教學環節完全一致。同時，經過對前期教學實踐具體情況的分析，我們也認識到，全網絡模式教學中課堂氛圍的不足是影響兩種教學模式切換的主要限制因素，因此我們也提出了緩解限制的兩個應對措施：一是在全網絡模式教學中積極營造課堂階段的學習氛圍;二是根據網絡教學平臺的學情數據加強對學生的心理關懷和學習督導。

1.營造全網絡模式教學中課堂階段的學習氛圍

全網絡模式教學中課堂氛圍的不足，對自律性不強的學生會產生嚴重影響。為了減少這種影響，建議在網絡直播教學中采取以下幾個措施：①要求教師和所有學生開攝像頭。開攝像頭會產生身處公共場合的感覺，不易開小差，自然會將注意力集中于講課內容。②鼓勵學生參與討論。允許和鼓勵學生使用語音通話或聊天室文字輸入進行提問和回答，也允許匿名發言，都可以增加學生參與討論的積極性。③控制上課人數。如果上課人數過多，學生在課堂上與教師、同學進行互動的平均機會就會減少，課堂參與度的下降會導致學生的注意力不集中，建議上課人數不要超過45人。④除了鼓勵學生自愿參與討論，教師還要增加點名的次數，督促潛水的學生參加互動。總之，上述措施都是為了克服課堂氛圍不足的負面影響。盡管采取了上述措施，網絡虛擬課堂與真實課堂在營造學習氛圍方面還是存在差距的，另外，對于個別學生來說，上網設備落后、網絡狀況不佳和居家環境不舒適等客觀因素，更讓營造課堂氣氛很難實現，也是必須接受的客觀現實。

2.加強心理關懷和學習督導

全網絡模式教學期間，教師可以通過主動關懷學生拉近師生心理距離，從而潛移默化地促進學生學習。利用社交軟件的語音通話或視頻通話功能，教師可以方便地與學生進行交流，通過詢問、鼓勵、引導和關懷等方式增進師生情感。教師也可以通過加強網絡督導來提高學生的學習積極性。通過超星學習通等網絡教學平臺的數據統計和分析功能，教師可以獲得班級整體和具體學生的詳細學情，從而能夠在分析學情的基礎上進行精準督導。實施網絡督導也很方便，教師可以在課程群發布整體學情，讓學生清楚自己的學習狀況在班級整體中的位置，教師也可以通過騰訊QQ對某個學生進行相應的提醒，在有必要的情況下可以直接通過語音通話或視頻通話進行交流。相比課堂督導，這種網絡督導更有針對性，也更加明確具體。同時，加強對學生的心理關懷和進行網絡督導也要把握松緊適度的原則，避免過多干涉學生的自主空間。

五、結語

本文介紹了《計算物理基礎》課程進行混合模式教學和全網絡模式教學的實踐情況。與傳統模式教學相比，混合模式的教學效果有了較大的改進。與混合模式教學相比，由于課堂氛圍不足，全網絡模式的教學效果下降了，改進措施是：針對自律性差的學生，營造課堂氛圍和加強學習督導。同時，全網絡模式教學也呈現了一些現實課堂不具備的優勢，預示了未來的教學改革方向。在總結兩種教學模式的基礎上，為了應對突發性事件對教學秩序的沖擊，我們探索了一種基于混合模式和全網絡模式的并行雙模式教學，教學活動可以在混合模式和全網絡模式之間進行平順切換，甚至可以兩種教學模式同時開展。鑒于《計算物理基礎》課程是一門與編程操作密切相關的專業課，期望本文的探索為類似課程的教學研究提供一個示例。

參考文獻：

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[5]彭芳麟，梁穎，劉振興.在計算物理基礎課中用MATLAB培養學生的編程能力[J].大學物理，2013，32（9）：9-14，17.

（編輯：王天鵬）